木頭有望取代鋼鐵中國科學家將天然木材硬度提高二十三倍化學處理四小時即可實現

木刀切肉，能切動嗎？

木釘子固定木板，這可行嗎？

馬里蘭大學李騰課題組新論文的發表，讓這一切成為可能。

他表示，化學處理后的硬化木材，是上述木刀和木釘的原材料，其硬度是天然木材的23倍，鋒利程度超過不銹鋼餐桌刀。

相關論文以《硬木材作為鋼和塑料的可再生替代品》為題發表在Matter上。

地球有3萬多億棵成熟樹木，硬化木材前景極佳

我們幾乎天天離不開硬材料，但被廣泛使用的硬質材料往往不可再生，而且價格昂貴。許多硬材料的合成需要超高溫和超高壓等極端條件，因此構成了潛在安全挑戰，也會消耗巨大能量。

此外，合成過程往往會排出大量廢氣。因此，非常有必要制備一種工藝簡單、可持續、且低成本的硬材料替代品。

以制備木刀的硬化木材為例，同樣制備合金刀和陶瓷刀，至少需要多出10倍的溫度和壓力。硬化木材的優勢由此可見一斑，那么如何制備硬化木材？

纖維素是木材的主要成分， 其比強度（強度/密度）比多數工程材料比如陶瓷、金屬和聚合物都要高。但是木材的強度低于纖維素， 這是因為木材本身組成中只有40%～50%的纖維素，其余的則由半纖維素和木質素組成， 而且天然木材中含有大量的孔洞。

李騰課題組采用的做法是盡量保持天然木材中的纖維素含量和結構，并且大幅度降低材料中的缺陷（比如孔洞，通道等）。過程分為兩步：

第一步是將木材脫掉木質素，即將木材浸泡在含有氫氧化鈉和亞硫酸鈉的溶液中，當溫度達到100攝氏度下將溶液煮沸幾個小時。天然木材的剛性大，不易變形，而在去除木質素后，它會變得柔軟、靈活。

第二步，給已被進行化學加工的木材施加壓力和熱度，過程中它會受到熱壓，水分會被去除，密度也會變得更大，然后在100攝氏度左右干燥，最終制備出硬化木材。

去除部分木質素和半纖維素，并用去離子水沖洗

下圖是將原料木材、轉成硬化木材的加工策略示意圖。首先通過化學處理，從天然椴木中去除部分木質素和半纖維素，然后用去離子水沖洗。

接著，在室溫下把部分脫木質素的木材樣品，放在垂直于木纖維的方向進行壓縮，借此擠壓原材料中的孔隙和坑，并擠出其中的水。

隨后，把部分脫木質素的木材樣品，進行熱壓干燥，來讓它更致密。

借此產生的硬化木材，比原材料強大23倍，原因在于其顯著密集的材料結構，可增強硬化木材中相鄰纖維素纖維之間的氫鍵形成。

然后將硬化木材浸入食品級礦物油中做表面處理，以提高其耐水性。通過切割和拋光，進一步將它加工成木刀和木釘，以展示其作為一次性桌刀和鋼釘替代品的潛在應用。

化學處理4小時，可讓硬化木材達到最佳硬度

化學處理4小時，可讓硬化木材達到最佳硬度

那么，普通木材和硬化木材的硬度有何不同？如下圖，圖A和圖B分別顯示了天然椴木在R-T和R-L平面上的形態，沿木材的生長方向上，含有很多大小不一的管狀通道和孔隙。

圖C和圖D則顯示了硬化木材的相應形態，其中木細胞壁完全坍塌，纖維素纖維密集地平行排列。

與此同時，硬化木材樣品的厚度，比原木材少了約20%。由此可見，硬化木材的致密化程度，與化學加工過程中去除的木質素密切相關。

在脫木質素的過程中，還對原材料進行了3個不同時間的化學處理，借此研究處理時間和木質素含量的依賴關系。

研究中，他們分別測量了硬化木材樣品在其表面和中心附近的木質素含量。

如右圖所示，在對硬化木材樣品做2小時的化學處理時， 木質素含量分別為表面19.67+/-1.13wt%、中心20.31+/-0.61wt%;做4小時的化學處理時，木質素含量分別為表面18.04+/-1.09wt%、中心18.86+/-0.25wt%;做6小時的化學處理時，木質素含量分別為表面16.89+/-0.80wt%和中心17.83+/-1.05wt%。

即當化學處理時間相同時，中心部分的木質素含量均略高于表面部分，原因在于化學物質在木材表面附近的擴散速率，高于高溫中心的擴散速率。

在不同的化學處理時間下，分別測定了硬化木材樣品的半纖維素含量。分別做化學處理2 小時、4小時、6小時，硬化木材樣品中半纖維素含量依次是18.50+/-0.87wt%、17.47+/-0.51wt%和16.89+/-0.40wt%。

這表明，化學處理時間越長，硬化木材中半纖維素含量較低。

那么，處理幾小時可得到最佳硬度？由于布氏硬度試驗方法常用于評價材料硬度，基于此他們通過在硬化木材表面施加30kg的力而產生壓痕。

然后使用光學顯微鏡對壓痕進行了表征和分析， 結果發現凹部下方的木纖維會變形、并形成彎曲形狀。

結果表明，化學處理時間為4小時的硬化木材樣品，比化學處理時間為2小時和6小時化學處理時間的樣品， 具有更高的布氏硬度，大約是天然椴木的23倍。

通過礦物油處理，來增強高溫表面耐水性

木材的主要成分是親水性的纖維素。因此，天然木材具有吸水性。因此，進行礦物油處理可增強高溫表面的耐水性。

如下圖，已形成的硬化木材表面、油處理后的硬化木材表面的接觸角分別為45.3+/-0.6度和79.9+/-1.8度，這表明硬化木材表面的耐水性顯著提高。

為了進一步證明油處理后的硬化木材的耐水性，他們把它完全浸入去離子水中24小時。

并在浸水實驗前后分別測量樣品的厚度， 結果發現浸泡2 4小時后，預制硬化木材的厚度增加幅度為101.0%;而油處理后的硬化木材厚度增加幅度僅24.6%。

在重量增加百分比上，經過24小時去離子水浸泡的成品硬化木材的重量增加46.5%，油處理后的硬化木材重量增加了14.2%。

與此同時，去離子水浸泡24小時后的人造硬化木材，其布氏硬度出現顯著下降，而24小時油處理后的硬化木材中布氏硬度僅略有下降。

以上實驗表明，礦物油處理時提高抗水性的一種簡單而有效的策略。

由于木材中的纖維素具有吸收性，因此當木材被雕刻成所需形狀后，再給其涂上礦物油即可延長壽命，有了這一涂層，在使用時或進行清洗時，木刀即可保持銳度。

木刀和釘子，分別對應切割功能和固定工具功能

硬材料最重要的兩種應用，是切割和固定，比如我們使用菜刀切肉、使用釘子固定物品。

為了證明硬化木材力學性能的意義，他們分別展示了硬化木材在切割能力、和固定能力上的兩種潛在應用，即文章開頭的木刀和木釘。

考慮到木纖維排列方向下的各向異性材料結構，他們制備出兩種木質刀片：I型硬化木材刀和II型硬化木材刀。前者是木纖維的方向平行于刀片，后者則是木纖維的方向垂直于刀片。

在對比商用鋼桌刀、塑料桌刀、木桌刀、I型和II型硬化木材刀之后，他發現這兩種木刀比塑料刀、鋼桌刀和木桌刀都更鋒利。

實驗中，他們還設置了兩種切割模式：不滑動和滑動。

結果發現，滑動模式下的切割力，一般小于非滑動模式下的切割力。而在任何一種切割模式下，II型硬化木材刀比I型硬化木材刀更鋒利，原因是沿木材纖維方向的硬化木材的剛度，高于垂直于木材纖維方向的硬化木材刀。

此外， 硬化木材不僅具有特殊力學性能，還不會像金屬一樣生銹，這表明它具備作為固定材料的候選潛力。

作為演示，他們通過雕刻一塊硬化木材和表面拋光來制造一個硬化木材木釘。

研究中，他們比較了一個6號鋼釘（直徑約3毫米，長度約5厘米）、和一個相似尺寸的硬化木材釘。為了證明硬化木材釘的有效性，他將硬化木材釘和鋼釘錘向每層5毫米厚的三層天然椴木，并用木釘將它們固定在一起。

實驗證明，在通過天然木層的穿透過程中，木釘或鋼釘都沒有發生損壞。

硬化木材的主要原料是椴木、氫氧化鈉、亞硫酸鈉，這都是供應豐富、且成本很低的商品。同時，通過回收和重用化學品，還可進一步降低硬件的制造成本。

李騰表示，未來這種木材也可用來制造更耐抓撓和磨損的硬木地板和硬化木門。如果需要的話，還可進行清洗、干燥和重新磨尖硬化木材制品，以便延長使用壽命。

他也坦言，盡管實現了木頭本身能達到一部分力學行為，并沒有把木頭的最大潛力挖掘出來， 即便如此也將木頭硬度提高2 3倍。

其中最主要的原因在于，大幅降低了木頭缺陷數量和缺陷幅度，從而極大提升了木頭硬密度。在未來，也可把硬化木材做得更大更薄，如此就能把超硬木片貼在不同結構上，從而用在更多場景中。

從教16年，如今借助視頻號業余科普影響更多人

雖然人在海外，但是李騰看到微信的巨大潛力，2020年微信視頻號的興起，讓他在業余時間開始做起科普，這也讓他得以觸達更多人，尤其是青年科研人員。

他舉例稱，有一次和兩位博士后討論完問題之后，他把自己講的內容，做了一個短視頻在他的“李騰教授”視頻號發布，最終有幾萬人觀看。

后來他和學生說，看似多花了一點時間做視頻，但原本只讓他們倆受益，現在則能讓幾萬人從中受益。這種放大的倍數，讓他愿意花時間投入。

李騰說自己做了16年的教授，雖然教過很多學生，但是比起做視頻號和直播能影響到的受眾，在量級上的差別非常大，而這也讓他非常有滿足感。

此次硬化木材的視頻，也在國外媒體廣泛流傳。可以說，李騰的木材研究貼合環保趨勢，業余視頻直播科普則緊跟新型傳播手段。而這一切，都是在用科學影響世界。 （綜合整理報道）（編輯/華生）